不同噴嘴類型靜電旋風(fēng)水膜除塵系統(tǒng)配置優(yōu)化實(shí)驗(yàn)研究*

彭積成，陳祖云，張如夢(mèng)

(江西理工大學(xué) 應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，江西 贛州 341000)

0 引言

隨著國(guó)家對(duì)工業(yè)排放控制力度的不斷加大，我國(guó)的大氣污染控制取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。在日益嚴(yán)格的PM2.5排放標(biāo)準(zhǔn)下，單一降塵機(jī)理組成的降塵設(shè)備已不能滿足日益嚴(yán)格的工業(yè)排塵要求，多機(jī)理復(fù)合降塵技術(shù)已成為解決粉塵污染問(wèn)題的重要技術(shù)手段[1-2]。靜電旋風(fēng)水膜除塵系統(tǒng)耦合了濕式除塵器、旋風(fēng)除塵器以及靜電除塵器的除塵機(jī)理，有效完善了單一降塵機(jī)理的缺陷，從而對(duì)粒徑較小的粉塵有較高的捕集效率[3-4]。通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，其影響因素除了與噴嘴類型、噴嘴位置和噴嘴數(shù)量有關(guān)[5-10]，還與進(jìn)口風(fēng)速，噴嘴單位面積流量及靜電電壓有關(guān)[11-14]。本文通過(guò)選型不同噴嘴類型，對(duì)進(jìn)口風(fēng)速、單位面積流量和靜電電壓進(jìn)行組合優(yōu)化，獲得各噴嘴作用下除塵系統(tǒng)各因素的最佳參數(shù)，從而提升對(duì)粉塵顆粒物的捕集效率。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及現(xiàn)場(chǎng)布置

實(shí)驗(yàn)采用自制的靜電旋風(fēng)水膜除塵系統(tǒng)模型，處理風(fēng)量為850 m3/h，實(shí)驗(yàn)裝置示意圖和現(xiàn)場(chǎng)布置圖分別如圖1(a)和圖1(b)所示。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)依次啟動(dòng)風(fēng)機(jī)、水泵、發(fā)塵器、高壓電源，帶塵氣流從除塵系統(tǒng)的漸縮管口流進(jìn)，進(jìn)入旋風(fēng)筒體內(nèi)，在水霧和高壓電的作用下，形成較大的含塵帶電霧滴，霧滴在離心力和重力的作用下飛向旋風(fēng)筒壁，粉塵被筒壁上形成的水膜所捕集，最終被捕獲的粉塵隨著水膜降落到水槽當(dāng)中，凈化完的氣體從風(fēng)機(jī)口排放到大氣中。

1.2 噴嘴類型及布置方式

實(shí)驗(yàn)噴嘴布置方式及特性如圖2及表1所示，用水泵連接的4個(gè)進(jìn)水口均勻設(shè)置在旋風(fēng)筒體的上部，進(jìn)水口安裝連接噴嘴的萬(wàn)向噴管。

圖2 噴嘴類型及布置方式Fig.2 Types and arrangement of nozzles

通過(guò)集塵極清灰水膜均布性能實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)加寬版吹風(fēng)噴頭具有較好的水膜均布性，1 mm孔徑廣角實(shí)心噴嘴能提供更多的細(xì)小霧滴且荷電效果較好，綜合考慮選取加寬版吹風(fēng)噴頭、1 mm孔徑廣角實(shí)心噴嘴、組合型噴嘴(3個(gè)加寬版吹風(fēng)噴頭+1個(gè)1 mm孔徑廣角實(shí)心噴嘴)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

表1 噴嘴特性Table 1 Nozzle characteristics

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 單因素影響實(shí)驗(yàn)研究

本文用到的粉塵為一般滑石粉，粒徑大約為32 μm，樣品粒徑分布如表2所示。

表2 粉塵樣品粒徑分布Table 2 Particle size distribution of dust samples

2.1.1 進(jìn)口風(fēng)速

不考慮電壓下選用一般滑石粉發(fā)塵，測(cè)定進(jìn)口風(fēng)速的變化對(duì)加寬版吹風(fēng)噴頭、組合型噴嘴以及1 mm孔徑廣角實(shí)心噴嘴的除塵效率的影響。通過(guò)改變風(fēng)擋來(lái)改變進(jìn)口風(fēng)速，每擋對(duì)應(yīng)風(fēng)速如表3所示。

表3 除塵設(shè)備漏風(fēng)率實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 Experimental results of air leakage rate of dust removal equipment

測(cè)得實(shí)驗(yàn)室空氣的密度ρ為1.199 kg/m3，僅改變進(jìn)口風(fēng)速的大小得到各噴嘴的除塵效率、系統(tǒng)阻力如圖3所示。由圖3可知，隨著進(jìn)口風(fēng)速的增大，各噴嘴的除塵效率先增大后減小。其增大的原因是風(fēng)速的增大會(huì)增大含塵氣流在旋風(fēng)筒體內(nèi)的切向速度，使得含塵霧滴更易因離心力的作用被集塵板捕集；其減小的原因是風(fēng)速過(guò)大會(huì)吹散旋風(fēng)筒體內(nèi)的水膜且風(fēng)機(jī)較易將水霧抽出，出現(xiàn)煙氣帶水現(xiàn)象，其次風(fēng)速過(guò)大會(huì)加大旋風(fēng)筒體內(nèi)塵粒的相互摩擦，從而更易形成細(xì)顆粒；風(fēng)速過(guò)大同樣會(huì)破壞已凝聚好的較大粉塵和含塵霧滴。

圖3 進(jìn)口風(fēng)速對(duì)除塵效率和系統(tǒng)阻力的影響Fig.3 Influence of inlet wind speed on dust removal efficiency and system resistance

由圖3可知，僅考慮進(jìn)口風(fēng)速的影響，各噴嘴的綜合除塵效率排序?yàn)椋航M合型噴嘴>加寬版吹風(fēng)噴頭>1 mm孔徑廣角實(shí)心噴嘴，3種噴嘴均在風(fēng)速為12.03 m/s時(shí)達(dá)到最高除塵效率。3種噴嘴的系統(tǒng)阻力隨著進(jìn)口風(fēng)速的增大而增大，損耗急劇增加。當(dāng)進(jìn)口風(fēng)速超過(guò)12.03 m/s時(shí)，壓力損失增長(zhǎng)率有所增大。綜合考慮除塵效率及系統(tǒng)阻力，3種噴嘴的進(jìn)口風(fēng)速設(shè)為12.03 m/s較為合適。

2.1.2 單位面積流量

不考慮電壓下選用一般滑石粉發(fā)塵，進(jìn)口風(fēng)速為12.03 m/s，通過(guò)調(diào)節(jié)供水壓力來(lái)改變不同噴嘴類型的單位面積流量，測(cè)得對(duì)除塵效率及系統(tǒng)阻力的影響如圖4所示。

圖4 單位面積流量對(duì)除塵效率及系統(tǒng)阻力的影響Fig.4 Influence of unit area flow rate on dust removal efficiency and system resistance

由圖4可知，單位面積流量的增大，3種噴嘴作用下的除塵效率隨之增大；1 mm孔徑廣角實(shí)心噴嘴和組合型噴嘴的系統(tǒng)阻力也隨之增大，且1 mm孔徑廣角實(shí)心噴嘴的系統(tǒng)阻力增長(zhǎng)率大于組合型噴嘴；加寬版吹風(fēng)噴頭的系統(tǒng)阻力卻隨著單位面積流量的增大而不斷下降，但下降率有減小的趨勢(shì)。3種噴嘴除塵效率增大的原因是單位面積流量變大使得噴嘴形成的水膜更加的均勻，促使水膜能夠更好地捕集粉塵；1 mm孔徑廣角實(shí)心噴嘴和組合型噴嘴的系統(tǒng)阻力增大的原因是單位面積流量增大，連接有1 mm孔徑廣角實(shí)心噴嘴的旋風(fēng)筒體內(nèi)含塵霧滴較多，一部分含塵霧滴隨風(fēng)流進(jìn)入除塵口，從而系統(tǒng)阻力增大；而加寬版吹風(fēng)噴頭的系統(tǒng)阻力減小的原因是流量增大會(huì)使筒壁內(nèi)的水膜分布的越均勻，水膜會(huì)把筒壁接縫覆蓋，從而系統(tǒng)阻力因此而減小。

綜合考慮除塵效率和系統(tǒng)阻力，加寬版吹風(fēng)噴頭、組合型噴嘴和1 mm孔徑廣角實(shí)心噴嘴的單位面積流量分別設(shè)為1.14，1.02，0.33 L/(m2·s)。

2.1.3 靜電電壓

選用一般滑石粉發(fā)塵，進(jìn)口風(fēng)速為12.03 m/s，加寬版吹風(fēng)噴頭、組合型噴嘴和1 mm孔徑廣角實(shí)心噴嘴單位面積流量分別為1.14，1.02，0.33 L/(m2·s)，測(cè)定在不同靜電電壓下，除塵效率的變化及相應(yīng)伏安特性曲線如圖5所示。

圖5 除塵效率與V-I曲線關(guān)系Fig.5 Relationship between dust removal efficiency and volt-ampere characteristic curve

由圖5可知，3種噴嘴的除塵效率均隨著靜電電壓和電流的增大而不斷增大。組合型噴嘴的除塵效果較優(yōu)，當(dāng)電壓為45 kV、電流為0.347 mA時(shí)，除塵效率高達(dá)98.75%。1 mm孔徑廣角實(shí)心噴嘴放電效果最好，但電壓上升的區(qū)間不大，電壓高于25 kV容易出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。加寬版吹風(fēng)噴頭的放電能力和除塵效率位于1 mm孔徑廣角實(shí)心噴嘴和組合型噴嘴之間，當(dāng)電壓為45 kV時(shí)，除塵效率達(dá)到97.89%。綜合分析考慮，加寬版吹風(fēng)噴頭、組合型噴嘴和1 mm孔徑廣角實(shí)心噴嘴的最佳靜電電壓分別為45，45，25 kV。

2.2 不同類型噴嘴的正交實(shí)驗(yàn)

2.2.1 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在單因素進(jìn)口風(fēng)速V、單位面積流量Qs和靜電電壓U最佳水平實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上通過(guò)SPSS軟件進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，以此來(lái)獲得該除塵系統(tǒng)各參數(shù)的最優(yōu)配置。建立因素水平表如表4所示。

表4 因素水平Table 4 Factor levels

2.2.2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到加寬版吹風(fēng)噴頭、1 mm孔徑廣角實(shí)心噴嘴、組合型噴嘴的正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)極差分析法對(duì)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，分別得到3種噴嘴除塵效率正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示、正交因素顯著性對(duì)比表6。

表5 3種噴嘴除塵效率正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 5 Orthogonal experimental results of dust removal efficiency of three nozzles

表6 3種噴嘴正交因素顯著性對(duì)比Table 6 Comparison on orthogonal factor significance of three nozzles

圖6 影響因素直觀分析Fig.6 Visual analysis diagram of influencing factors

由圖6(a)可知，隨著進(jìn)口風(fēng)速不斷遞增，3種噴嘴的除塵效率先遞增后遞減且均在進(jìn)口風(fēng)速為12.03 m/s時(shí)達(dá)到最大，故最佳進(jìn)口風(fēng)速為12.03 m/s；由圖6(b)可知，單位面積流量的增大，3種噴嘴的除塵效率均隨之增大，1 mm孔徑廣角實(shí)心噴嘴增長(zhǎng)較為明顯，故1 mm孔徑廣角實(shí)心噴嘴的最佳單位面積流量為0.33 L/(m2·s)，綜合考慮加寬版吹風(fēng)噴頭和組合型噴嘴的除塵效率增幅漸為平緩及用水量的情況，加寬版吹風(fēng)噴頭和組合型噴嘴的單位面積流量分別設(shè)為1.14，1.02 L/(m2·s)較為合適；由圖6(c)可知，3種噴嘴的除塵效率均隨著靜電電壓的增大而增大，且增長(zhǎng)率變大，因此加寬版吹風(fēng)噴頭、組合型噴嘴和1 mm孔徑廣角實(shí)心噴嘴的最佳靜電電壓分別設(shè)為45，45，25 kV。

2.2.3 不同噴嘴類型對(duì)比

在3種噴嘴各自最佳參數(shù)情況下，分別實(shí)驗(yàn)5組，得到對(duì)應(yīng)的除塵效率、系統(tǒng)阻力如圖7所示。由圖7可知，3種噴嘴的除塵效率波動(dòng)范圍均在1%之間；3種噴嘴的系統(tǒng)阻力波動(dòng)范圍均在10 Pa之間，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)可靠且具有參考價(jià)值。3種噴嘴在最佳參數(shù)下除塵效率的排序?yàn)椋航M合型噴嘴>加寬版吹風(fēng)噴頭>1 mm孔徑廣角實(shí)心噴嘴，最佳參數(shù)下系統(tǒng)阻力的排序?yàn)椋? mm孔徑廣角實(shí)心噴嘴>組合型噴嘴>加寬版吹風(fēng)噴頭，且1 mm孔徑廣角實(shí)心噴嘴的系統(tǒng)阻力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于另外2種噴嘴的系統(tǒng)阻力。

圖7 最佳參數(shù)下設(shè)備除塵效率和總阻力Fig.7 Dust removal efficiency and total resistance of equipment under optimal parameters

結(jié)合除塵效率和阻力分析，該靜電旋風(fēng)水膜除塵系統(tǒng)在最佳參數(shù)下的除塵性能為：組合型噴嘴>加寬版吹風(fēng)噴頭>1 mm孔徑廣角實(shí)心噴嘴。

在溫度為20 ℃、進(jìn)口粉塵濃度為3.82 g/m3、組合型噴嘴最佳參數(shù)下，測(cè)定本除塵設(shè)備系統(tǒng)下粉塵顆粒的分級(jí)除塵效率，大致了解系統(tǒng)的粒徑除塵區(qū)間。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到除塵系統(tǒng)的分級(jí)除塵效率，如圖8所示。

圖8 除塵系統(tǒng)分級(jí)效率Fig.8 Classification efficiency of dust removal system

由圖8可知，當(dāng)進(jìn)口風(fēng)速不變時(shí)，隨著粉塵顆粒粒徑的增大，除塵系統(tǒng)的除塵分級(jí)效率也不斷增大且增幅不斷變緩，在粒徑大概為40 μm時(shí)分級(jí)效率約為100%；當(dāng)粉塵顆粒粒徑一定時(shí)，系統(tǒng)的分級(jí)除塵效率隨著進(jìn)口風(fēng)速的增大呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)，但粒徑越大下的分級(jí)效率越接近，其原因是風(fēng)速相對(duì)較小時(shí)，粉塵顆粒停留在除塵設(shè)備內(nèi)的時(shí)間越長(zhǎng)，使之與旋風(fēng)筒體內(nèi)由噴嘴產(chǎn)生的霧滴相碰撞的概率增大，碰撞后形成更大的含塵霧滴，因此更易被收塵極捕集。故較小的進(jìn)口風(fēng)速有利于提高除塵系統(tǒng)的除塵效率。

3 結(jié)論

1)隨著進(jìn)口風(fēng)速的增大，3種不同噴嘴類型作用下的除塵效率先增大后減小，系統(tǒng)阻力隨之增大；隨著單位面積流量的增大，3種不同噴嘴類型作用下的除塵效率呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，1 mm孔徑廣角實(shí)心噴嘴和組合型噴嘴作用下的系統(tǒng)阻力隨之增大，但加寬版吹風(fēng)噴頭作用下的系統(tǒng)阻力呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)；隨著靜電電壓的增大，3種不同噴嘴類型作用下的除塵效率均增大。

2)通過(guò)SPSS軟件正交實(shí)驗(yàn)，得到3種不同噴嘴類型作用下的除塵效率各因素的影響排序均為：進(jìn)口風(fēng)速>靜電電壓>單位面積流量。加寬版吹風(fēng)噴頭、1 mm孔徑廣角實(shí)心噴嘴和組合型噴嘴的最佳入口風(fēng)速均為12.03 m/s，最佳單位面積流量分別為1.14，0.33，1.02 L/(m2·s)，最佳靜電電壓分別為45，25，45 kV。

3)在各噴嘴的最佳參數(shù)下，綜合考慮除塵效率和系統(tǒng)阻力，各噴嘴作用下的除塵性能排序?yàn)椋航M合型噴嘴>加寬版吹風(fēng)噴頭>1 mm孔徑廣角實(shí)心噴嘴。在組合型噴嘴最佳參數(shù)下，當(dāng)進(jìn)口風(fēng)速不變時(shí)，隨著粉塵顆粒粒徑的增大，除塵系統(tǒng)的除塵分級(jí)效率也不斷增大且增幅不斷變緩，在粒徑大概為40 μm時(shí)分級(jí)效率約為100%；當(dāng)粉塵顆粒粒徑不變時(shí)，隨著進(jìn)口風(fēng)速的增大，系統(tǒng)的分級(jí)除塵效率呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)，粒徑越大下的分級(jí)效率越接近。